Carbon Nanomaterials for Advanced Energy Conversion and Storage

Small - Tập 8 Số 8 - Trang 1130-1166 - 2012
Liming Dai1, Dong Wook Chang2, Jong‐Beom Baek2, Wen Lu3
1Center of Advanced Science and Engineering for Carbon (Case4Carbon), Department of Macromolecular Science and Engineering, Case Western Reserve University, 10900 Euclid Avenue, Cleveland, OH 44106, USA
2Interdisciplinary School of Green Energy/Institute of Advanced Materials & Devices, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST), 100, Banyeon, Ulsan 689-798, South Korea
3EnerG2, Inc., 100 NE Northlake Way, Suite 300, Seattle, WA 98105, USA

Tóm tắt

AbstractIt is estimated that the world will need to double its energy supply by 2050. Nanotechnology has opened up new frontiers in materials science and engineering to meet this challenge by creating new materials, particularly carbon nanomaterials, for efficient energy conversion and storage. Comparing to conventional energy materials, carbon nanomaterials possess unique size‐/surface‐dependent (e.g., morphological, electrical, optical, and mechanical) properties useful for enhancing the energy‐conversion and storage performances. During the past 25 years or so, therefore, considerable efforts have been made to utilize the unique properties of carbon nanomaterials, including fullerenes, carbon nanotubes, and graphene, as energy materials, and tremendous progress has been achieved in developing high‐performance energy conversion (e.g., solar cells and fuel cells) and storage (e.g., supercapacitors and batteries) devices. This article reviews progress in the research and development of carbon nanomaterials during the past twenty years or so for advanced energy conversion and storage, along with some discussions on challenges and perspectives in this exciting field.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

T. G.Doung “2002 Annual Progress Report for Energy Storage Research and Development” Freedom Car & Vehicle Technologies Program 2003.

10.1021/jp905378n

10.1007/s10853-008-2749-0

10.1021/jz101639v

Harris P. J. F., 2001, Carbon Nanotubes and Related Structures ‐ New Materials for the Twenty‐First Century

Dai L., 2006, Carbon Nanotechnology: Recent Developments in Chemistry, Physics, Materials Science and Device Applications

10.1002/smll.201002009

10.1038/nmat1368

10.1002/adma.200800627

10.1039/B801151F

10.1002/cssc.200800087

Marsh H., 1989, Introduction to Carbon Science

10.1038/318162a0

10.1002/9783527619214

10.1142/9789812386250

10.1038/354056a0

Dresselhaus M. S., 1996, Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes

10.1126/science.1102896

10.1039/B809990C

10.1016/S0378-7753(01)00894-1

10.1021/bk-1992-0481

10.1021/cr00006a005

1992, Acc. Chem. Res., 25

10.1038/347354a0

10.1146/annurev.ms.23.080193.001111

10.1016/S0927-796X(95)00181-6

Bakry R., 2007, Int. J. Nanomedicine, 2, 639

10.1126/science.258.5087.1474

10.1063/1.108863

10.1126/science.270.5243.1789

10.1088/2058-7058/9/5/18

10.1016/S0008-6223(00)00155-X

10.1016/j.mser.2010.06.003

10.1038/358220a0

10.1038/41972

10.1126/science.273.5274.483

10.1021/nl025634d

10.1002/cphc.200300770

10.1002/smll.200600354

10.1039/b703046k

10.1038/416495a

10.1126/science.274.5293.1701

10.1557/mrs2008.47

10.1126/science.283.5401.512

10.1039/a802258e

10.1126/science.282.5391.1105

10.1021/jp990342v

10.1021/ja992945q

10.1063/1.2345253

10.1126/science.1104962

10.1073/pnas.0507064102

10.1021/ja060944

10.1143/JJAP.45.L720

10.1143/JJAP.44.1558

10.1166/jnn.2007.341

10.1016/j.synthmet.2005.07.057

10.1021/jp036191k

10.1021/nn102411s

10.1063/1.118568

10.1126/science.1060928

10.1038/scientificamerican1200-62

10.1351/pac200274091753

10.1038/386377a0

Loh K., 2005, Bridge Maintenance, Safety, Management, Health Monitoring and Informatics

10.1016/j.physb.2009.09.006

Jin M. H.‐C., 2005, Organic Photovoltaics

10.1021/la0116903

10.1021/jz100533t

10.1016/j.jpowsour.2010.08.003

10.1016/j.jpowsour.2009.01.009

10.1021/ja0423670

10.1002/adfm.200400399

10.1021/jp003385g

10.1002/asia.200800485

10.1021/jp901284d

10.1021/nl072838r

10.1021/nl800957b

10.1007/s12039-008-0002-7

10.1002/anie.200704909

10.1038/nnano.2008.83

10.1002/anie.200903463

10.1002/smll.200901934

10.1038/nmat2392

10.1109/TED.2008.926593

Ren L. W. C., 2011, New Carbon Mater., 26, 71

10.1103/PhysRevLett.102.056808

10.1038/nature07719

10.1038/nnano.2010.132

10.1021/nn901850u

10.1126/science.1171245

10.1063/1.3605545

10.1038/nature09804

10.1038/nnano.2008.365

10.1021/ja01539a017

10.1021/cm901247t

Brumfiel G., 2009, Nature, 10, 1038

10.1038/nature07872

10.1038/nature07919

10.1021/ja800745y

10.1021/nn700375n

10.1002/adma.200802560

10.1038/nnano.2008.210

10.1002/cssc.200900180

10.1166/jnn.2005.304

10.1016/j.apcatb.2007.09.047

10.1002/(SICI)1521-4095(199909)11:13<1129::AID-ADMA1129>3.0.CO;2-9

10.1016/S0008-6223(03)00339-7

10.1149/1.1837812

10.1021/jp055150g

10.1039/b703569a

10.1016/j.cplett.2004.02.005

10.1126/science.269.5230.1554

10.1021/nl800967n

10.1063/1.125498

10.1063/1.1473195

10.1021/jp048736w

10.1021/cm051094k

10.1016/j.elecom.2005.07.007

10.1039/b316083a

10.1021/nl034952p

10.1126/science.1168049

10.1021/nl801827v

10.1021/nl803279t

10.1039/c0cc00753f

10.1021/cm201542m

10.1016/S0009-2614(98)00144-4

10.1021/jp9731821

Becquerel A., 1839, Comptes Rendus, 9, 561

10.1038/35104607

10.1103/PhysRevLett.98.176403

10.1002/cssc.200800127

10.1063/1.1721711

10.1002/pip.574

10.1002/pip.709

10.1557/mrs2005.2

10.1021/cen-v082n045.p013

10.1063/1.438476

10.1021/j100269a013

10.1021/j100295a082

Hiramoto M., 1991, Appl. Phys. Lett., 58, 1061

10.1007/978-3-662-05187-0

Dai L., 2004, Intelligent Macromolecules for Smart Devices: From Materials Synthesis to Device Applications, 10.1007/b97517

Bube R. H., 1992, Photoelectronic Properties of Semiconductors

10.1063/1.96937

10.1063/1.471154

10.1142/S0217979294000105

10.1016/0379-6779(94)03192-9

10.1016/0379-6779(94)03086-L

10.1103/PhysRevB.48.15425

10.1063/1.111260

10.1143/JJAP.32.L873

10.1016/0379-6779(96)80076-2

Kamat P. V., 1996, Electrochem. Soc. Interface, 5, 22, 10.1149/2.F04961IF

10.1063/1.359792

10.1038/376498a0

10.1080/15583724.2010.515765

10.1002/adma.200501825

10.1063/1.2008386

10.1021/ol051950y

10.1039/C0CP01178A

10.1021/nl034841q

Bauer G. H., 2003, Quantum Solar Energy Conversion in Organic Solar Cells, in Organic Photovoltaics: Concepts and Realization

10.1002/adfm.200390004

10.1016/S1369-7021(04)00400-6

10.1002/adma.19960081105

10.1002/(SICI)1521-4095(199810)10:14<1091::AID-ADMA1091>3.0.CO;2-L

10.1103/PhysRevB.58.R7492

10.1016/S0009-2614(02)01332-5

10.1063/1.1428416

10.1021/jp900241r

10.1063/1.2823586

10.1063/1.3192360

10.1002/adma.200901338

10.1021/ma100917p

10.1016/j.solmat.2007.04.023

10.1063/1.2179372

10.1016/j.carbon.2008.08.027

10.1088/0957-4484/18/18/185708

10.1039/B618518E

10.1021/nl034810v

10.1002/adfm.200800954

10.1002/adma.200800366

10.1002/cssc.201000061

10.1021/nn101671t

10.1021/nn901660v

10.1021/jz200428y

10.1002/ange.200900298

10.1021/jp806791s

Sun S. S., 2005, Organic Photovoltaics: Mechanism, Materials, and Devices

10.1021/ja903337c

10.1002/adma.200701125

10.1002/adma.200500418

10.1002/anie.200461666

10.1021/ja802810c

10.1021/ja0550733

10.1002/adma.200602903

10.1039/b805140b

10.1002/anie.200906291

10.1038/nnano.2007.451

10.1038/29206

10.1002/adma.201003819

10.1038/353737a0

DSSCs http://www.chemphys.lu.se/research/projects/wholedsscle(last accessed August 2011).

10.1126/science.1209688

10.1002/adma.200306664

10.1063/1.2799257

10.1021/ja052467l

10.1143/JJAP.45.L638

Kong F. T., 2006, Prog. Chem., 18, 1409

10.1088/0957-4484/19/16/165103

10.1063/1.3318466

10.1002/adma.200602181

10.1021/nl802818d

10.1016/j.elecom.2008.08.007

10.1039/c0ee00512f

10.1021/nn102353h

Ramani V., 2006, Electrochem. Soc. Interface, 41, 10.1149/2.F12061IF

Fuel Cells http://www.fuelcells.org/basics/how.html(last accessed August 2011).

US Department of Energy http://americanhistory.si.deu/fuelcells/pem/pemmain.html(last accessed August 2011).

10.2172/862302

US Department of Energy http://www1.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/mypp/(lastaccessed August 2011).

10.1016/j.jpowsour.2006.01.030

10.1002/1615-6854(200107)1:2<133::AID-FUCE133>3.0.CO;2-5

10.1149/1.1838863

10.1016/S0378-7753(02)00100-3

10.1021/jp0711747

10.1021/jp022505c

10.1149/1.1830355

10.1149/1.1649756

10.1007/s10800-006-9120-4

10.1039/b400607k

10.1016/S0008-6223(02)00039-8

10.1021/jp046872v

10.1016/j.jpowsour.2005.09.039

10.1016/j.elecom.2008.12.056

10.1016/j.matchemphys.2005.02.009

10.1021/jp0219350

10.1021/la051124y

10.1016/j.jpowsour.2006.03.064

10.1016/j.memsci.2008.04.041

10.1021/la0637263

10.1016/j.cattod.2008.08.025

10.1016/j.solmat.2004.07.047

10.1021/jp044442z

10.1039/B713096A

10.1016/j.electacta.2005.07.006

10.1002/anie.200700894

10.1088/0957-4484/17/9/043

10.1016/j.jpowsour.2004.06.004

10.1038/nnano.2008.329

10.1038/nmat1849

10.1021/nl8011566

10.1038/nmat2382

10.1002/ange.200907289

10.1039/b9nr00405j

10.1021/cm100139d

10.1021/ja104425h

10.1021/ja105617z

10.1021/jp811320d

10.1016/j.electacta.2009.10.037

10.1063/1.1593798

10.1021/jp908067v

10.1021/ja1112904

10.1021/nn200879h

10.1002/anie.200704343

10.1021/la9005218

10.1016/S0378-7753(00)00485-7

10.1007/978-1-4757-3058-6

10.1016/S0013-4686(00)00354-6

Ehsani M., 2005, Modern Electric, Hybrid Electric, and Fuel Cell Vehicles—Fundamentals, Theory and Design

10.1016/S0008-6223(00)00183-4

10.1149/1.2050077

10.1016/0378-7753(94)80053-7

Burke A., 2001, Electrochem. Soc. Proc., 21, 576

10.1002/1616-3028(200110)11:5<387::AID-ADFM387>3.0.CO;2-G

10.1016/0022-0728(86)80104-8

10.1149/1.2221066

10.1149/1.2086158

10.1126/science.1132195

10.1002/anie.200703864

10.1016/j.carbon.2006.05.022

10.1021/jp905975q

10.1088/0957-4484/17/20/016

10.1021/jp014047y

10.1016/S0008-6223(02)00045-3

10.1088/0957-4484/16/4/003

10.1038/nmat1782

10.1149/1.2437665

10.1088/0957-4484/18/19/195607

10.1021/nl800925j

10.1016/j.electacta.2004.04.010

10.1149/1.2811864

10.1149/1.2943245

10.1063/1.2907501

10.1021/cm801356a

Liu C., 2010, Nano Lett., 10, 3598

10.1038/nnano.2009.177

10.1021/nl802558y

10.1016/j.carbon.2010.02.001

10.1021/nn901689k

10.1021/nn901311t

10.1021/jz9003137

10.1016/j.carbon.2010.01.014

10.1021/nn900297m

10.1016/j.carbon.2009.08.001

10.1016/j.carbon.2009.09.066

10.1002/adma.200702602

10.1021/la026746n

10.1021/cm900688r

10.1016/j.jpowsour.2005.10.069

10.1088/0957-4484/16/4/003

10.1021/nn901341r

10.1021/nl801417w

10.1088/1367-2630/11/9/093002

10.1166/jctn.2010.1546

10.1021/cm2021214

10.1016/j.jpowsour.2004.07.015

10.1016/S0008-6223(03)00245-8

10.1149/1.2985628

10.1126/science.1082289

10.1016/j.electacta.2007.04.092

10.1021/jz200104n

10.1016/S0009-2614(01)01037-5

Cao M., 2000, Angew. Chem. Int. Ed., 39, 3664, 10.1002/1521-3773(20001016)39:20<3664::AID-ANIE3664>3.0.CO;2-Y

10.1002/1521-4095(20020304)14:5<382::AID-ADMA382>3.0.CO;2-Y

10.1021/cm010744r

10.1149/1.1491235

10.1016/j.synthmet.2005.01.016

10.1149/1.1836965

10.1016/0040-6090(95)06617-9

10.1016/S0013-4686(98)00346-6

10.1149/1.2188307

10.1149/1.1870793

10.1016/j.diamond.2005.11.009

10.1016/j.jpowsour.2007.12.027

Nagaura T., 1991, Prog. Batts. Sol. Cell, 10, 218

10.1149/1.1641042

US Department of Energy http://www1.eere.energy.gov/vehiclesandfuel/technologies/energy_storage/index.html(last accessed August 2011).

Lithium batteries http://auto.howstuffworks.com/fuel‐efficiency/vehicles/lithium‐ion‐battery‐car1.htm(last accessed August 2011).

R. S.Morris B. G. B.Dixon T.Gennett J.Blackburn M. J.Heben presented at 211th Electrochem. Soc. Meeting Chicago Illinois May2007.

Thackeray M. M., 1999, Handbook of Battery Materials

10.1016/j.electacta.2005.09.027

10.1038/35035045

Bullis K., 2006, Technology

10.1038/35035045

10.1016/S0008-6223(98)00187-0

10.1016/S0009-2614(99)00486-8

10.1149/1.1393615

Maurin G., 2003, Encylopedia of Nanoscience and Nanotehnology, X/1

10.1016/S0378-7753(99)00130-5

Shimoda H., 2002, Phys. Rev. Lett., 88, 155021

10.1007/0-306-47508-1_2

10.1007/3-540-39947-X_14

10.1007/BF03027708

10.1149/1.1851055

10.1016/S0009-2614(02)00580-8

10.1021/cm070991g

10.1073/pnas.0706508104

10.1002/adfm.200801242

10.1016/S0378-7753(03)00117-4

10.1002/adfm.200700319

10.1149/1.1494177

10.1016/S0009-2614(99)00886-6

10.1149/1.1391828

10.1016/j.jelechem.2005.04.004

10.1126/science.270.5236.590

10.1016/S0254-0584(00)00512-5

10.1351/pac200678091703

10.1016/j.jpowsour.2005.10.077

10.1149/1.2776231

10.1016/j.ssi.2005.02.005

10.1149/1.1425791

10.1590/S0103-50532006000400002

10.1002/cssc.200800170

10.1149/1.2044250

10.1149/1.2050041

10.1149/1.1838572

Julien C., 1994, Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspectives

10.1126/science.1122152

10.1038/nmat1672

10.1021/jp8011602

W.Lu A.Goering L.Qu L.Dai unpublished.

10.1126/science.1150878

10.1038/nature05545

10.1021/nl0717715

10.1039/b901551e

10.1021/nn900150y

10.1021/nn901819n

10.1021/ja105296a

10.1021/nn101926g

10.1021/nl802484w

10.1016/S0378-7753(01)00508-0

10.1149/1.1391624

10.1016/0022-3697(96)00342-3

10.1039/a805080e

10.1149/1.2054855

10.1021/nn100315s